UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ CENTRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE FOZ DO IGUAÇU CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROTÓTIPO EXPERIMENTAL EM LABORATÓRIO DE UM EMULADOR DE TURBINA EÓLICA ROGÉRIO PALUDO FOZ DO IGUAÇU 2013

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3 Rogério Paludo Protótipo Experimental em Laboratório de um Emulador de Turbina Eólica Monografia de trabalho de conclusão de curso apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Romeu Reginatto Coorientador: Jonas R. Pesente Foz do Iguaçu 2013

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5 Agradecimentos Este trabalho foi redigido de forma integral utilizando softwares livres ou de código aberto. Desta forma, nada mais justo que agradecer primeiramente aos desenvolvedores e os mantenedores de tais ferramentas. Nomeá-los aqui seria impraticável, mas vale a menção de agradecimento. As contribuições para realização deste trabalho vieram de várias pessoas, para evitar esquecimentos ou desmerecimentos, não irei explicitá-las aqui. Porém, irei honrá-las com uma frase célebre de Isaac Newton: If I have seen a little further it is by standing on the shoulders of Giants. iv

6 The fate of all mankind I see, Is in the hands of fools. Epitaph, King Crimson.

7 Resumo A energia eólica constitui uma importante alternativa energética as fontes convencionais, principalmente pelo baixo impacto ambiental e pelos recursos ainda pouco explorados. Em um cenário mundial seu crescimento tem sido bastante acentuado nas últimas décadas, devido a programas de incentivo fiscal e a busca por fontes limpas. Com base nesta perspectiva é importante dispor de ferramentas que permitam realizar estudos experimentais de geração eólica, para manter o crescimento e atualização tecnológica. Como em muitos locais não há condições climáticas favoráveis, ou devido a condições financeiras, frequentemente recorre-se a emulação da turbina eólica, utilizando duas máquinas elétricas. Neste trabalho é apresentado o projeto e implementação laboratorial de um emulador utilizando duas máquinas de indução trifásicas, capazes de representar aerogeradores de velocidade fixa. O controle por parte da turbina eólica é realizado em ambiente Simulink/Matlab R, juntamente com a placa dspace R para interface com um inversor de frequência, utilizado no acionamento do motor, o qual aplica no eixo do gerador o torque que seria desenvolvido pela turbina. Palavras Chave: turbina eólica de velocidade fixa, geração eólica, máquinas de indução trifásicas. vi

8 Abstract Wind power is an important energy alternative to conventional sources, mainly by low environmental impact and yet low resources explored. In a world scenario the growth has been quite marked in recent decades due to tax incentive programs and the search for clean sources. Based on this perspective it is important to have tools for the experimental study of wind power generation, to maintain growth and technological upgrading. As in many places there isn t favorable weather conditions, or due to financial conditions, often resorts to emulation of the wind turbine, using two electric machines. This work presents the design of an emulator using three-phase induction machines, able to represent fixed-speed wind turbines. The control of the wind turbine is carried out in Simulink/Matlab R, along with the dspace R board, to interface with a frequency inverter used to drive the motor, which applies in the generator shaft the torque that would be developed by the turbine. Keywords: fixed-speed wind turbine, wind generation, three-phase induction machines. vii

9 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Siglas Lista de Símbolos x xii xiii xiv 1 Introdução Panorama da Energia Eólica Motivação Objetivos Aerogeradores Topologias de Aerogeradores Aerogeradores de Velocidade Fixa - AVF Aerogeradores de Velocidade Variável - AVV Modelagem Aerodinâmica de Aerogeradores Conversão de Energia Cinética do Vento Controle de Turbinas Eólicas Capacidade de Geração Carregamento Mecânico Controle Aerodinâmico de Potência Controle por Estol Controle de Passo (Pitch Control) Controle por Estol Ativo Operação e Controle de AVF Emulação da Turbina Eólica Emulador Placa dspace R DS Inversor de Frequência viii

10 3.3 Bancada de Motores Medição de Velocidade Angular Medição de Grandezas Elétricas Configuração Final do Emulador Configuração Final do Emulador: Parte Computacional Configuração Final do Emulador: Parte Física Testes e Resultados Curvas de Operação em Regime da Turbina Emulada Resposta a um Perfil de Vento Típico Resposta a uma rampa de Vento Conclusões e Trabalhos Futuros Conclusões Gerais Sugestões e Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas 34 A Desenvolvimento da Relação para C p 36 B Características dos Equipamentos Utilizados 39 B.1 Características dspace B.2 Características Inversor de Frequência B.3 Características Motores B.4 Características Turbina Eólica ix

11 Lista de Figuras 1.1 Potência global instalada anualmente (GWEC, 2013) Elementos básicos de um aerogerador Topologias básicas de aerogeradores. (a) Aerogerador de velocidade fixa, (b) Aerogerador de velocidade variável com inversor de frequência com potência parcial, (c) Aerogerador de velocidade variável com Fully Rated Converter. Fonte: (ANAYA-LARA et al., 2011) Curvas de rendimento C p e C q. Fonte: (TARNOWSKI, 2006) Curva ideal de Potência. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) Fenômeno Estol para α > α crt. β - ângulo de passo das pás, α - ângulo de ataque das pás, V r - velocidade resultante que atua na pá, R - raio do rotor e ω t - velocidade angular de rotação do rotor. Fonte: (HAU, 2006) Potência de Saída, para um aerogerador NIBE A com limitador de potência por Estol, e NIBE B com limitador de potência por ajuste contínuo (Pitch). Fonte:(HAU, 2006) Modelo do atuador de ângulo de passo Pontos possíveis de operação para AVF. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) Estratégia Básica de Controle para Aerogeradores de Velocidade Fixa (AVF). Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) Estratégia Básica de Controle para AVF : (a) Potência de Sáida, (b) Rendimento vs. Velocidade do vento. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) Diagrama esquemático simplificado do protótipo Entradas e saídas do modelo em Simulink R Placa dspace DS Diagrama da configuração final do emulador Diagrama de blocos em Simulink do emulador Modelo da Turbina em Simulink Curva de Potência obtida da Turbina Emulada x

12 3.6 Curvas de operação em regime obtidas da Turbina Emulada Resposta da Turbina Emulada a um vento característico Resposta a uma rampa de vento A.1 Redução de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás xi

13 Lista de Tabelas 2.1 Parâmetros para eq. 2.4 e eq Fonte: (TARNOWSKI, 2006) Velocidades típicas de operação. Fonte: (ANAYA-LARA et al., 2011) Pontos de operação da Turbina emulada B.1 Características dspace R B.2 Características Inversor LSIS IS B.3 Características dos motores utilizados B.4 Características da Turbina Eólica xii

14 Lista de Siglas AVF AVV Aerogeradores de Velocidade Fixa. Aerogeradores de Velocidade Variável. GWEC Global Wind Energy Council. MEP MIRB MIT Momento de Elemento de Pá. Máquina de Indução com Rotor Bobinado. Máquina de Indução Trifásica. PIA PROINFA Produtores Independentes Autônomos. Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica. SCEE Sistemas de Conversão de Energia Eólica. xiii

15 Lista de Símbolos β Ângulo de Passo. ρ ar Densidade do Ar, ρ ar = kg/m 3. ω t Velocidade da Turbina. A Área varrida pelas pás. C p Coeficiente de Potência. C p (λ, β) Função que aproxima o valor de C p. C pmax C q Máximo Coeficiente de Potência. Coeficiente de Torque. P t P v Potência do Aerogerador. Potência extraída do vento pela turbina. R Raio do Rotor. V cut in V cut out V nom V r V v Velocidade mínima de operação do Aerogerador. Velocidade máxima de operação do Aerogerador. Velocidade nominal de operação do Aerogerador. Velocidade Resultante que atua na Pá. Velocidade do Vento. xiv

16 Capítulo 1 Introdução O crescimento da demanda de energia elétrica mundial, devido em grande parte ao desenvolvimento econômico e à atual preocupação com a exploração sustentável dos recursos energéticos, leva à busca por fontes limpas. Neste cenário as energias renováveis compõem uma interessante alternativa as atuais fontes convencionais 1. Grande parte da produção de energia elétrica mundial é proveniente de fontes convencionais, que possuem um impacto ambiental considerável. Porém, esse panorama vem mudando gradativamente. A cada ano a produção através de fontes renováveis aumenta, a destacar a eólica, com potencial ainda pouco explorado. Entretanto muitos estudos são necessários, para avaliar e qualificar esse progresso. 1.1 Panorama da Energia Eólica A energia eólica esta se consolidando como uma importante alternativa energética em todo o mundo e ainda tem ótimas perspectivas de crescimento em ritmo acelerado. Estimase que os recursos eólicos no planeta sejam da ordem de T W h/ano, enquanto à previsão de consumo de energia elétrica esteja em torno de 25 T W h/ano 2 (TARNOWSKI, 2006). Esses dados justificam a recente expansão desse mercado, e fornecem uma importante expectativa quanto a matriz energética mundial. Atualmente as turbinas eólicas são dispositivos confiáveis e com preço competitivo, o avanço tecnológico é bastante rápido, e os aerogeradores tornam-se cada vez menores e mais eficientes (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). De uma certa forma, isso propicia a melhor utilização desse recurso, e torna-o uma opção viável em investimentos. Durante a década de 70 a instabilidade no preço do petróleo levou diversos países a buscar outras fontes de energia, como solar, e eólica (ROCHA, 2008; FERREIRA, 1 Fontes convencionais: Principalmente as fontes derivadas de combustíveis fósseis, ou de forma mais genérica que possuem impacto ambiental considerável. 2 Estes dados são apresentados como resultados de estimativas e variam consideravelmente conforme referência utilizada, o objetivo é mostrar que os recursos eólicos são consideráveis frente ao consumo de energia elétrica. 1

17 2008; LARSSON, 2000). Para isso, programas foram criados, com intuito de estimular o desenvolvimento das tecnologias associadas à exploração dessas energias. Em 1975 um projeto do Governo Norte Americano, em conjunto com à Agência Espacial (NASA), criou alguns protótipos de turbinas eólicas como uma tentativa de ir além da tecnologia até então utilizada, e fornecer apoio a nível industrial (JOHNSON, 2006). O trabalho realizado teve uma importância considerável, e previu de maneira eficaz boa parte da tecnologia utilizada nas décadas seguintes. Esses programas de incentivo tem papel significativo no cenário de crescente expansão. Muitos investimentos foram feitos, e ainda são, por parte dos governos, interessados em encorajar o comprometimento de empresas no desenvolvimento sustentável. Com o Protocolo de Kyoto (1997), alguns países se comprometeram em reduzir a emissão de gases poluentes, empenhando para isso políticas para estimular a utilização de energias renováveis. A Espanha, por exemplo, possui 3 empresas entre as 10 maiores do mundo no ramo eólico, devido em grande parte a incentivos financeiros (FERREIRA, 2008). De fato, uma das principais escolhas em investimentos é a energia eólica, devido fundamentalmente ao baixo impacto ambiental. No Brasil a primeira turbina eólica instalada foi em Fernando de Noronha em Uma década depois foi instituído o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), o qual objetivava aumentar a produção de energia pelos Produtores Independentes Autônomos (PIA), principalmente através de fontes eólicas, pequenas centrais hidrelétricas e biomassa. Os principais incentivos garantiam a compra de energia gerada por vinte anos e financiamento do empreendimento em até 80%. Em 2003 havia 6 centrais eólicas operando no país, somando kw (ANEEL., 2003). Desde então a situação mudou bastante e, de janeiro a dezembro de 2012, foram instalados MW, deixando o Brasil com a oitava maior capacidade eólica instalada durante esse período (GWEC, 2013). A nível mundial o projeto Wind Force 12, que é uma proposta para aumentar a capacidade mundial de geração eólica até 2020 em 12%, tem por objetivo mostrar que não há barreiras técnicas e econômicas para a exploração da energia eólica (GREEN- PEACE/GWEC, 2005). Dados do Global Wind Energy Council (GWEC), mostram o crescimento bastante acentuado, conforme Figura 1.1, e realmente acompanhando ao longo dos anos a evolução da capacidade mundial, essa proposta se torna condizente. De forma sintetizada, essa nova conjuntura energética exige um certo comprometimento governamental. Para que o crescimento não seja prejudicado, os estímulos devem ser mantidos. Também é importante destacar que essa intensificação exige profissionais qualificados, que possam manter a atualização tecnológica no mesmo ritmo de crescimento do mercado, para assim explorar de forma eficiente os recursos disponíveis. 2

18 40 GW Figura 1.1: Potência global instalada anualmente (GWEC, 2013) 1.2 Motivação Fica evidente com o quadro descrito na seção 1.1 que a utilização da energia eólica em largas escalas tem suas implicâncias, sejam econômicas ou técnicas, nos sistemas de energia elétrica. A conexão desses aerogeradores com a rede elétrica, possui diversos problemas conhecidos, até certo ponto, mas o aumento nas conexões pode trazer obstáculos desconhecidos. Há uma certa tendência no emprego de aerogeradores relativamente próximos aos centros de carga, como opção as grandes centrais de geração e essa possibilidade tem altos níveis de penetração nas redes locais de distribuição (ARRIBAS; VEGANZONES, 2011). Certamente há, nesse caso, necessidades quanto à estabilidade e regulação do sistema. Assim, para atender os requisitos de confiabilidade, sistemas de controle complexos são necessários, demandando assim mais estudos nesta área. Qualquer estudo que pretenda avaliar os Sistemas de Conversão de Energia Eólica (SCEE) requer de algum método de representação das turbinas eólicas. Para isso geralmente são utilizados métodos analíticos ou experimentais. Ambos possuem suas vantagens técnicas, ou até mesmo econômicas, mas de forma geral algumas dificuldades encontradas em retratar os parâmetros envolvidos em estudos analíticos, os custos associados na construção de modelos em escala reduzida ou o levantamento de dados em campo, comprometem a observação do comportamento desses sistemas (ROCHA et al., 2008). Uma alternativa muito utilizada para contornar essas limitações, é a construção de um protótipo capaz de representar fisicamente as características de potência-velocidade da turbina eólica através de uma máquina elétrica (QIAO et al., 2007). Esses sistemas são bastante utilizados em laboratórios, seja para estudos de operação, controle, ou até mesmo como ferramenta didática, de sistemas eólicos. Sistemas construídos com máquinas de corrente contínua foram largamente empregados para tal propósito, pois demandam estratégias de controle mais simples (ROCHA et al., 2008; LOPES et al., 2005). Porém, devido ao custo associado a máquina DC e a sua demanda de manutenção, esses sistemas tornam-se inviáveis comparados a máquinas de indução por exemplo (NEAMMANEE, 2007). 3

19 Assim, frente a essas considerações, neste trabalho propõe-se a construção de um protótipo utilizando uma Máquinas de Indução Trifásica (MITs) controlada via inversor de frequência. Desta forma, o mesmo torque que seria aplicado ao eixo do gerador pela turbina eólica será reproduzido pela MIT, possibilitando então avaliar o desempenho do emulador em representar o comportamento do rotor da turbina. Portanto a implementação como bancada experimental agregaria a Universidade um equipamento para simulações, pesquisas e ensino, contribuindo assim na formação de novos profissionais. 1.3 Objetivos Este trabalho contempla o desenvolvimento de um protótipo, utilizado para emulação da turbina eólica, empregando para isso o desempenho de atividades práticas, mas é imprescindível o estudo teórico para conhecimento do estado-da-arte da tecnologia envolvida com aerogeradores. Desta forma torna-se necessária uma revisão bibliográfica, afinal tratase de um estudo científico com produção textual. Também deve-se levar em conta que o objeto principal do trabalho é o protótipo do emulador, e o objetivo de implementar esse sistema é realizar estudos elétricos. No entanto, como o propósito é a implementação do protótipo há preocupações somente com o desempenho do emulador. Considerando isso, é possível traçar as principais etapas que este trabalho contempla, e então enumerá-las: i. Conhecimento, e familiarização com os equipamentos utilizados, paralelamente com estudos bibliográficos; ii. Estudo dos modelos e emulação de turbinas eólicas; iii. Estudo das ferramentas utilizadas, principalmente a placa dspace; iv. Implementação da emulação em ambiente Simulink R /Matlab R ; v. Estudo de estratégias de integração Simulink R /dspace R /inversor; vi. Ensaios e validação do protótipo. 4

20 Capítulo 2 Aerogeradores No decorrer deste capítulo pretende-se descrever de forma resumida, dando ênfase no objetivo do trabalho, quais tecnologias são usualmente encontradas em parques eólicos e desenvolver o modelo, o qual é a principal ferramenta para a emulação da turbina. Nos tópicos iniciais é discutida a classificação das turbinas eólicas, seguindo com a modelagem, do ponto de vista aerodinâmico 1, tipicamente utilizada em estudos de sistemas elétricos. De forma resumida certas considerações sobre a operação do caso particular de estudo são expostas. Assim, ao final deste capítulo espera-se deixar claro o processo de emulação da turbina, as equações que são utilizadas para determinação do torque aproximado, e a partir disto evoluir nos capítulos seguintes para a descrição das características físicas do protótipo. 2.1 Topologias de Aerogeradores As partes constituintes principais de uma turbina eólica com eixo horizontal são apresentadas na figura 2.1. Em geral essa configuração varia ligeiramente para cada fabricante, mas esta nomenclatura é largamente utilizada. Usualmente as turbinas eólicas são separadas quanto sua velocidade de operação. Desta forma, delimita-se dois grupos: aerogeradores de velocidade fixa, e aerogeradores de velocidade variável. Estes grupos possuem características bem definidas, as quais permitem claramente identificar os aerogeradores classificados desta forma em sua velocidade de operação, e consequentemente princípio básico de operação. Suas características principais, vantagens e desvantagens, serão comentadas na sequência. 1 Como será visto na seção 2.3 a modelagem é feita como um rendimento. 5

21 Pá do Rotor Diâmetro do Rotor Mecanismo de Ângulo de passo Eixos Nacele Gerador Caixa Multiplicadora Torre Figura 2.1: Elementos básicos de um aerogerador Aerogeradores de Velocidade Fixa - AVF Os aerogeradores que operam em velocidade fixa foram muito empregados principalmente durante a década de 80 e 90. Atualmente ainda são maioria frente aos de velocidade variável, apesar de haver uma recente propensão na utilização de dispositivos que funcionam em uma faixa variável de velocidade (MURTHY et al., 2007). Assim como a própria nomenclatura sugere a velocidade de operação é relativamente constante, e definida pela rede, caixa multiplicadora e pela construção do gerador. A escolha desta velocidade, durante o projeto, leva em conta dados históricos de vento tentando prever a velocidade que em média obtém-se a maior energia disponível (ANAYA-LARA et al., 2011; ACKERMANN, 2005; BURTON et al., 2011). Como o projeto prevê o rendimento máximo em apenas uma velocidade de vento 2, para qualquer outra velocidade inferior a nominal, a potência capturada do vento é menor que o valor nominal do gerador. Uma forma de compensação desta deficiência é o frequente uso de dois enrolamentos selecionáveis, um para baixas velocidades, e outro para altas velocidades de vento. O enrolamento para baixas velocidades geralmente possui uma quantidade maior de polos, determinando assim uma velocidade síncrona menor e a possibilidade de extrair do vento um torque maior (ACKERMANN, 2005). A sua topologia é relativamente simples, e utiliza geralmente um gerador assíncrono 3 conectado à rede através de um transformador. Na figura 2.2a, é apresentado um esquema típico desse tipo de aerogeradores. Atentar para utilização de um Soft-Starter, para redução de correntes transitórias de partida, e ao inevitável banco de capacitores, para compensação de reativos (ANAYA-LARA et al., 2011). Como vantagens esta configuração apresenta grande simplicidade, certa robustez e 2 Na velocidade que há maior energia disponível (BURTON et al., 2011) 3 Gaiola de esquilo, ou Rotor bobinado 6

22 Gerador de Indução em Gaiola Soft-Starter Transformador de Conexão Rede Banco de Capacitores (a) Gerador de Indução Rotor Bobinado Transformador de Conexão Rede Inversor de Frequência (b) Gerador de Síncrono ou de Indução Transformador de Conexão Inversor de Frequência Fully Rated Converter Rede (c) Figura 2.2: Topologias básicas de aerogeradores. (a) Aerogerador de velocidade fixa, (b) Aerogerador de velocidade variável com inversor de frequência com potência parcial, (c) Aerogerador de velocidade variável com Fully Rated Converter. Fonte: (ANAYA-LARA et al., 2011) custo reduzido. No entanto, a qualidade da energia gerada pelos dispositivos com esta configuração é questionável, visto que, a sensibilidade da potência elétrica a velocidade do vento é considerável e um fator limitante ao rendimento. Uma forma de aumentar a captura de energia é tornar a velocidade de operação variável, rastreando o ponto de máximo rendimento aerodinâmico (ACKERMANN, 2005) Aerogeradores de Velocidade Variável - AVV Ao contrário dos AVF, estes dispositivos são projetados para operar de forma a obter o máximo rendimento aerodinâmico em uma ampla faixa de velocidades, tornando-os o tipo dominante entre os novos aerogeradores instalados (ACKERMANN, 2005). A possibilidade de variar a velocidade de operação do aerogerador, mantendo seu torque relativamente constante, é obtida mantendo a relação entre a velocidade da turbina ( ω t ), e a velocidade do vento ( V v ) constante (ACKERMANN, 2005). Isto pode ser obtido utilizando uma Máquina de Indução com Rotor Bobinado (MIRB), na qual o rotor é 7

23 alimentado/controlado por um inversor de frequência com potência parcial 4 (figura 2.2b), ou utilizando eletrônica de potência, desacoplando as frequências entre a rede e o gerador (figura 2.2c). As principais vantagens obtidas nos Aerogeradores de Velocidade Variável (AVV) são relativas a qualidade da energia gerada bem como o rendimento aerodinâmico maior em comparação com AVF. Entretanto, em virtude de utilizarem um maior número de componentes, são mais complexos, e o uso de eletrônica de potência introduz maiores perdas de energia nestes dispositivos (ACKERMANN, 2005). 2.2 Modelagem Aerodinâmica de Aerogeradores A utilização de um modelo que fornece o torque desenvolvido pela turbina em determinada condição de vento é imprescindível em estudos de SCEE. Para o desenvolvimento deste modelo existem diversas abordagens possíveis, no entanto, as mais usuais são comentadas a seguir. Método do Momento de Elemento de Pá (MEP): Este modelo é o mais detalhado quanto a caracterização da interação das pás das turbinas com o vento. Sua utilização leva a respostas com precisão considerável contudo, demanda elevado custo computacional, além de necessitar de um detalhado número de informações a respeito da geometria das pás. O seu desenvolvimento favorece o entendimento de algumas características operativas das turbinas e é justificado em certos estudos (TARNOWSKI, 2006). Rendimento Aerodinâmico a partir de uma aproximação: Neste método utiliza-se uma função que aproxima o rendimento aerodinâmico da turbina. Supõe-se para isso uma relação entre a velocidade do vento V v, a velocidade angular da turbina ω t e também com o ângulo de passo β. Com essa relação então é possível obter o torque aproximado que seria desenvolvido pelo rotor da turbina, computando C p (λ, β), dado por uma aproximação e descrito na seção 2.3. Como vantagens da utilização deste método pode-se citar o menor custo computacional, afinal trata-se de um modelo algébrico, também não há necessidade de conhecer profundamente a geometria das pás. Apesar deste modelo representar um sistema aerodinâmico trata-se apenas de equações algébricas sem dinâmica, desta forma a elasticidade da ação do vento sobre as pás não pode ser representada (TARNOWSKI, 2006; SLOOTWEG et al., 2003). Enquanto em estudos estruturais o mais usual é o Método do Momento de Elemento de Pá, em estudos elétricos tem-se utilizado de aproximações para a curva de rendimento. Então, na escolha destes métodos é preciso levar em conta qual a natureza do estudo que se esta realizando, bem como o custo computacional empenhado para solução dos modelos. 4 Como este inversor esta conectado ao rotor e não na armadura da máquina, nem toda a potência gerada passa através deste, portanto este pode ter uma potência nominal inferior, ou parcial. 8

24 2.3 Conversão de Energia Cinética do Vento Turbinas eólicas extraem energia cinética do vento através das pás. O vento passa gerando forças de arrasto e sustentação, de forma que sua resultante é responsável pelo movimento rotacional transmitido ao gerador. Fisicamente é isto que ocorre, e como comentado na seção 2.2, existem modelos fiéis ao fenômeno. No entanto, é interessante dispor de um modelo que seja menos detalhado, mas que forneça informações suficientes para reprodução de certas características. Assim, é importante determinar o rendimento na conversão de energia do vento, e para tanto a potência contida em uma massa de ar deve ser calculada. Esta potência frequentemente é dada por P v : (TARNOWSKI, 2006; ANAYA-LARA et al., 2011; BURTON et al., 2011; BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) P v = 1 2 ρav 3 v (2.1) onde, P v - Potência de uma massa de ar (W ), ρ ar - Densidade do ar (1.225 kg/m 3 ), A - É a área varrida pelas pás e, V v - É a velocidade do vento. É evidente que nem toda potência contida nessa massa de ar em deslocamento, que se choca com as pás da turbina, é aproveitada para gerar energia elétrica. Normalmente, introduz-se um coeficiente de potência C p, dado por P t /P v, onde P t é a potência da turbina. P t = 1 2 ρav 3 v C p (2.2) C p = P t P v (2.3) O modelo algébrico para C p, utilizado neste trabalho foi proposto em Slootweg et al. (2003). Este modelo é obtido com objetivo de ser caracterizado pelo menor número de parâmetros, e ser similar aos modelos utilizados em simulações de sistemas elétricos. A aproximação para C p é determinada pelas seguintes equações: ( ) a2 C p (λ, β) = a 1 a 3 β a 4 β a 5 a 6 e a 7 λ i (2.4) λ i λ i = 1 1 λ a 8 β a 9 β 3 +1 (2.5) onde, C p (λ, β) é uma aproximação para o coeficiente de potência, λ é chamado de Tip Speed Ratio, na língua inglesa, e β é o ângulo entre as pás e um eixo de referência. Estas equações são detalhadas no apêndice A. Os coeficientes (a 1...a 9 ) são determinados em um processo numérico otimizado para reduzir os erros entre as aproximações numéricas e as curvas dadas pelo fabricante (SLO- OTWEG et al., 2003). Os valores utilizados para implementação destas equações foram 9

25 retirados de Tarnowski (2006), e são apresentados na tabela 2.1. Tabela 2.1: Parâmetros para eq. 2.4 e eq Fonte: (TARNOWSKI, 2006). Variável Valor a 1 0, 22 a a 3 0, 8 a 4 0 a 5 a 6 8 a 7 18 a 8 0, 09 a 9 0, 01 Na figura 2.3 as curvas de rendimento para diversas velocidades de vento e ângulo β são apresentadas. O máximo valor de C 5 pmax implementado neste trabalho é de , o que é condizente com o rendimento aerodinâmico encontrado em aerogeradores comerciais. O coeficiente de torque C q é determinado a partir de C p fazendo: C q = C p λ (2.6) A partir destas equações pode-se analisar algumas estratégias de regulação em regime permanente, e analisar seu comportamento em determinadas condições operativas. Contudo, antes são apresentados os controles de potência extraída do vento. 2.4 Controle de Turbinas Eólicas Diversos sistemas de controle são necessários para que as turbinas eólicas operem de forma segura, atendendo requisitos de qualidade de energia e custos. Portanto, devem ser concebidos com objetivos delimitados, os quais muitas vezes são relacionados e conflitantes. Assim, de forma sintetizada pode-se escrever os principais objetivos (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). i. Capacidade de Geração: Se possível maximizar a extração de potência do vento, levando em conta a operação segura do conjunto; ii. Carregamento Mecânico: Cargas excessivas sofridas durante velocidades do vento elevadas (maiores que a nominal) podem se tornar um problema, portanto, se possível mi- 5 O máximo valor de C p é chamado de coeficiente de Betz, ver apêndice A. 10

26 C P (λ,β) β=0 β=5 β=10 β= λ 0.06 C Q (λ,β) λ Figura 2.3: Curvas de rendimento C p e C q. Fonte: (TARNOWSKI, 2006). nimizar esse efeito Capacidade de Geração Geralmente limitada por características físicas e/ou econômicas a capacidade de geração das turbinas eólicas é visualizada em um plano Velocidade do Vento vs Potência Gerada, tal qual a figura 2.4 (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). As duas velocidades indicadas, (V cut in ) e (V cut out ), representam respectivamente as velocidades mínimas e máxima de operação da turbina. Abaixo ou acima desses valores a P otência(kw ) P N A B C V cut in V cut out V v (m/s) Figura 2.4: Curva ideal de Potência. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) 11

27 turbina deve permanecer fora de operação. Velocidades menores que V cut in não justificam a partida da turbina, porque a energia contida no vento é muito baixa e não compensaria os custos e perdas do sistema. Acima de V cut out a turbina é desligada por segurança e para evitar esforços estruturais (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007; ANAYA-LARA et al., 2011). Essas velocidades tipicamente possuem valores próximos dos dados na tabela 2.2. Tabela 2.2: Velocidades típicas de operação. Fonte: (ANAYA-LARA et al., 2011). Velocidade Cut-in 5 m/s Nominal m/s Cut-out 25 m/s No gráfico 2.4 três regiões são delimitadas no plano de operação da turbina, cada uma delas possui escopos diferentes de geração. Na região A a potência fornecida à rede é variável conforme velocidade do vento, assim, a partir da equação 2.1 a potência cresce cubicamente com a velocidade do vento. A região B é de transição entre A e C, e a característica principal é a limitação de velocidade do rotor para redução de emissão acústica, em AVV. Em C, a potência é limitada a valores nominais, e como a potência disponível é maior que a nominal, o aerogerador opera com C p menor (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) Carregamento Mecânico O carregamento mecânico estático, associado principalmente a velocidade média do vento, e cargas dinâmicas ou transientes sofridas durante rápidas variações do vento, podem causar danos mecânicos graves por fadiga. A atuação do controlador de ângulo de passo (seção 2.5.2), por exemplo, tem impacto direto no esforço mecânico sofrido pelas pás, e seu projeto deve levar em conta tais restrições. Portanto, a ideia por trás da concepção dos controladores é fornecer amortecimento suficiente nos modos de vibração da turbina de forma a evitar um colapso ou dano por fadiga (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). 2.5 Controle Aerodinâmico de Potência O surgimento de mecanismos de controle remonta na necessidade de limitação de potência e velocidade sob condições específicas de vento. A evolução do tamanho das turbinas eólicas trouxe requisitos extra, tais como aumento de eficiência, qualidade de 12

28 energia e redução de emissão acústica (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). Assim, como os requisitos de controle tornaram-se mais complexos, outros tipos de limitadores de potência e velocidade surgiram, em geral agregando maior funcionalidade e complexidade aos mecanismos. Os principais controles aerodinâmicos de potência são: i. Controle por estol (stall); ii. Controle de passo (pitch); iii. Controle por estol ativo. Cada um destes utiliza princípios diferentes para a limitação da potência, mas todos podem ser empregados nos diferentes tipos de topologias Controle por Estol O controle por estol é o mais simples, robusto e barato. As pás possuem ângulo de passo β fixo, e o princípio de regulação da potência é baseado no fenômeno stall. Neste fenômeno, a partir de certa velocidade do vento o fluxo na superfície das pás começa a descolar tornando-se turbulento, como ilustrado na figura 2.5. Assim, a potência extraída é limitada passivamente pela própria velocidade do vento quando α > α cr, de forma a permanecer próxima a potência nominal, como visto na figura 2.6 (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). Vvento < Vnominal β α < α crítico V r Vvento R.ω t Vvento > Vnominal β α > α crítico V r Vvento R.ω t Figura 2.5: Fenômeno Estol para α > α crt. β - ângulo de passo das pás, α - ângulo de ataque das pás, V r - velocidade resultante que atua na pá, R - raio do rotor e ω t - velocidade angular de rotação do rotor. Fonte: (HAU, 2006). 13

29 Para fins de simulação estes dispositivos requerem uma representação pelo MEP, pois o seu controle é passivo e dado pelas características aerodinâmicas e geométricas das pás. Geralmente em estudos que pretendem avaliar, do ponto de vista de sistemas elétricos os aerogeradores, não se utiliza o MEP Controle de Passo (Pitch Control) Neste tipo de controle o ângulo de passo é ajustado de forma a limitar a extração de potência do vento em velocidades elevadas, girando ativamente as pás em torno de seu eixo longitudinal. A principal vantagem desse tipo de controle é justamente uma maior controlabilidade da potência, além de recursos extras, como a possibilidade de utilizar o controle de passo em paradas de emergência, fazendo β 90. Portanto, este controle permite manter a potência extraída do vento o mais próximo possível da potência nominal do gerador (ACKERMANN, 2005; HAU, 2006). Analisando as figuras 2.3 e 2.5 percebe-se que a potência extraída do vento diminui conforme o ângulo de passo β aumenta. Também é perceptível que existe um valor de β para o qual o rendimento aerodinâmico é máximo (tipicamente β = 0 ). O sistema de controle atua justamente neste ângulo β, e quando provoca variações positivas é denominado controle de passo, caso as variações sejam negativas, denomina-se controle de estol ativo (TARNOWSKI, 2006). As desvantagens encontradas nesses sistemas de controle estão associadas a complexidade do mecanismo de atuação e a grandes variações da potência instantânea quando há rajadas de vento, devido a velocidade de resposta do atuador mecânico ser lenta (ACKER- MANN, 2005). Uma comparação em regime permanente da potência gerada por duas turbinas eólicas comerciais com controle de passo e estol, é mostrada na figura Potência (kw ) Controle Pitch Controle Estol Velocidade do Vento (m/s) Figura 2.6: Potência de Saída, para um aerogerador NIBE A com limitador de potência por Estol, e NIBE B com limitador de potência por ajuste contínuo (Pitch). Fonte:(HAU, 2006) 14

30 Atuador de Ângulo de Passo Nas simulações de aerogeradores que possuem controle aerodinâmico ativo, a dinâmica do atuador de passo deve ser considerada. Esta dinâmica é geralmente modelada como primeira ordem com natureza não linear, pois o atuador é um servomecanismo com saturação em amplitude e limitação de variação dβ/dt. Para tornar a resposta mais realista um filtro é implementado na saída do modelo, como pode ser visto na figura 2.7. Servomotor Filtro Figura 2.7: Modelo do atuador de ângulo de passo. Os valores para implementação deste modelo foram retirados de (DUSONCHET; MASSARO; TELARETTI, 2007), e compatibilizados com a dinâmica do emulador Controle por Estol Ativo O controle por Estol Ativo funciona de maneira similar ao controle de passo, com atuadores mecânicos nas pás ajustando ativamente o ângulo β. Porém, a sua operação é ligeiramente diferente, pois em velocidade altas de vento as pás são ajustadas para que o fenômeno estol ocorra, em velocidades baixas de vento o ajuste das pás é dado geralmente para β = 0, pois a maior eficiência aerodinâmica é encontrada (ACKERMANN, 2005). Como vantagens Ackermann (2005) cita a possibilidade de compensar variações da densidade do ar com esse sistema, além de diminuir flutuações de potência quando se tem fortes rajadas de vento, em comparação com o controle de passo. Hau (2006) comenta que as principais desvantagens encontradas nesse tipo de controle são as mesmas que em turbinas com pás fixas. 2.6 Operação e Controle de AVF Devido a gama de topologias e tecnologias, a operação das turbinas eólicas varia consideravelmente. A análise aqui apresentada se restringe a topologia que opera em velocidade fixa, apesar de poder ser estendida para outras topologias. Neste tópico será descrito a operação deste tipo de aerogeradores. O estudo da operação das turbinas pode ser resumido na análise das curvas de Velocidade de Rotação 6 vs. Torque Aerodinâmico. Essas curvas indicam o comportamento em regime permanente do torque aerodinâmico para diversas velocidades de vento e ângulo de passo β. 6 Representadas no mesmo lado da caixa multiplicadora. 15

31 O regime permanente nesses casos é encontrado quando o torque reacional, desenvolvido pelo gerador, é igual ao torque aerodinâmico no rotor (ACKERMANN, 2005). Na figura 2.8, P1, P2 e P3 são pontos idealizados de operação em velocidades específicas de vento V1, V2 e V3. Como essas velocidades possuem características não controláveis, é necessário alternar os pontos de operação mudando características aerodinâmicas, ou a velocidade de operação, de forma a atender os valores especificados nos objetivos de controle. No protótipo proposto a velocidade de operação é determinada pela frequência da rede, então resta para o ajuste o ângulo β, modificado pelo controle de passo. Assim, é possível ajustar o ângulo de passo para manter o torque aerodinâmico e a velocidade angular de operação da turbina relativamente constantes, mesmo para velocidades do vento diferentes. Esta característica pode ser observada na figura 2.8 no ponto P2, desta forma para V 1 > V 2 é possível, mudando β 0 para β R, manter o mesmo ponto de operação. P 1 Torque (Nm) V 3, β0 V 1, β R P 2 P 3 V 1, β 0 V 2, β 0 Ω ope Velocidade Rotacional (rotações/s) Figura 2.8: Pontos possíveis de operação para AVF. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) A figura 2.9 apresenta a estratégia básica para controle de AVF. O ponto A é concebido para ser o ponto nominal de funcionamento. Em velocidades do vento superiores a V nom (velocidade nominal em A) o controle de passo atua continuamente mantendo o torque extraído constante. Para velocidades inferiores a V nom o torque cresce de acordo velocidade do vento, levando em consideração o rendimento aerodinâmico, como na figura 2.10 segmento CA. O valor máximo de C p, é encontrado somente em uma velocidade específica do vento (ponto B), no entanto, os AVF que possuem controle de passo são projetados para obter o máximo C p também em velocidades ligeiramente inferiores a V nom, figura 2.10 (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). A estratégia de controle é justamente manter os equipamentos operando no segmento de reta CA dado na figura 2.9. Então, com o conhecimento destas características gerais de operação e estratégias de controle, pode-se então definir as equações e diagramas de blocos a serem implementados, 16

32 P N V cut out Torque (Nm) V nom B A C pmax V cut in Velocidade Rotacional (rotações/s) C Figura 2.9: Estratégia Básica de Controle para AVF. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007) e analisar as particularidades de operação do protótipo. (a) Potência (kw ) P N C B A A V V ento (m/s) V cut in V B V nom V cut out C P max Curva Ideal Curva Real (b) CP V cut in V B V nom V cut out V V ento (m/s) Figura 2.10: Estratégia Básica de Controle para AVF : (a) Potência de Sáida, (b) Rendimento vs. Velocidade do vento. Fonte: (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007). 2.7 Emulação da Turbina Eólica Diversos emuladores com configurações diferentes já foram propostos na literatura. A maioria utiliza máquinas CC, entretanto a robustez e custo competitivo das MITs torna-as uma opção atrativa (ROCHA et al., 2008). Alguns destes emuladores propostos 17

33 tem capacidade de representar certos fenômenos aerodinâmicos, tais como: rajadas de vento e efeito de sombreamento da torre. O protótipo proposto não possui nenhum destes refinamentos a princípio, pois o foco é na implementação de todo o sistema, assim, o refinamento de suas funcionalidades fica para trabalhos futuros. Para facilitar o entendimento da emulação a figura 2.11 fornece uma ferramenta para explicação da metodologia do processo. Então, de forma simplificada é possível diferenciar o que será realizado em um computador, e o que é fisicamente implementado. O bloco amarelo à esquerda compõe a parte emulada do sistema, que é responsável por determinar numericamente o torque que seria desenvolvido para determinada condição operativa do aerogerador. À direita, em cinza, tem-se a parte física do protótipo, que é implementada para caracterizar o comportamento do gerador conectado a rede. Perfil Vento Parâmetros Turbina m/s Entra dados Modelo Turbina (Simulink R ) Algoritmo Rede Placa Inversor Torque dspace de MI G ω n ω n 1104 Frequência Simulink R Protótipo Figura 2.11: Diagrama esquemático simplificado do protótipo O motor que se comportará como o rotor da turbina eólica é controlado via inversor de frequência, pois apesar da velocidade ser constante há necessidade de se variar o torque desenvolvido conforme velocidade do vento. O dispositivo que implementa este controle é o inversor, e a forma que isto é realizado não é de preocupação deste trabalho. Então, em Simulink R são implementadas as equações 2.4, 2.5 e também a malha de controle de ângulo de passo. Representando a emulação em um só bloco tem-se a figura V vento ω t β Modelo Turbina eq. 2.4 eq. 2.5 T t Figura 2.12: Entradas e saídas do modelo em Simulink R. As três grandezas de entrada no modelo tem impacto direto no torque. Porém, com o conhecimento de seus valores é possível determiná-lo, e até mesmo atuar na regulação de velocidade através de β, modificado pela malha de controle de passo. 18

34 Neste momento parte-se para o outro aspecto do protótipo, a sua parte física. Como este torque calculado em computador passa por um conversor D/A, não trata-se mais de valores numéricos representados em um ambiente computacional, e sim de sinais elétricos. Como é esperado, a abordagem na explicação das característica envolvidas com estes sinais, e as estratégias empregadas para contornar certas dificuldades de realização fazem parte do capítulo seguinte. 19

35 Capítulo 3 Emulador Duas partes principais compõem este capítulo. A primeira, puramente descritiva, tem objetivo de mostrar a topologia final do emulador e deixar claro seus aspectos computacionais e físicos. Na segunda parte são mostrados os resultados obtidos em alguns ensaios, realizados com intuito de avaliar a fidelidade na emulação de AVF, e também uma análise de desempenho do protótipo, baseada em uma resposta em rampa de vento. 3.1 Placa dspace R DS1104 A placa dspace R é uma poderosa ferramenta para prototipação. Sua arquitetura baseada na tecnologia PowerPC 1 é ideal para aplicações que requerem máxima performance e ampla integração com periféricos (WAIT, 2005). O modelo utilizado neste trabalho é mostrado na figura 3.1. Como pode ser visto nessa figura, sua conexão é realizada diretamente à placa mãe do computador através de uma conexão PCI. Quando refere-se a placa dspace R na verdade faz-se referência a um pacote de Hardware e Software, que acompanha o equipamento. Neste pacote esta incluso uma biblioteca RTI (Real Time Interface), disponibilizada em Simulink R, que fornece interfaces gráficas para a configuração das entradas e saídas analógicas e digitais. Além dessa biblioteca básica, o ControlDesk R, um software para desenvolvimento de ECU S (Electronic Control Units), é fornecido com o pacote. O procedimento para criação de modelos é bastante simplificado bastando criar um diagrama de blocos em Simulink R, utilizar as entradas e saídas necessárias mediante sua devida configuração, utilizando os blocos da biblioteca RTI. A partir disto, pode-se 1 PowerPC - Power Optimization With Enhanced RISC (Reduced instruction set computing) Performance Computing, refere-se a arquitetura de processadores desenvolvidos pela IBM na década de

36 Figura 3.1: Placa dspace DS1104. compilar o modelo através do Real-Time Workshop, que é um complemento do Matlab R para geração automática de códigos em linguagem C. Neste momento, automaticamente, esses códigos passam a rodar no hardware específico da placa, e seu processamento é independente do computador. Assim, períodos de amostragem e execução são garantidos por interrupções que ocorrem no hardware da dspace R, e portanto independente do sistema operacional, justificando a denominação desses modelos de Real-Time Models. A supervisão e medição das entradas e saídas fica centralizado no ControlDesk R, que permite a criação de interfaces gráficas para visualização dos valores. Também é possível guardar um histórico das variáveis monitoradas, e diretamente salvá-lo em formato compatível com Matlab R. De forma resumida o ControlDesk R é uma poderosa ferramenta associada ao hardware da dspace R, a qual permite monitoramento síncrono de entradas e saídas, facilidade na criação de layouts, além de ser rápido para prototipagem e testes. Assim, no hardware dspace R é calculado o torque de referência, fornecido ao inversor de frequência através de uma saída analógica, utilizando a velocidade medida através da entrada para encoder incremental. As características mais relevantes para o trabalho, do hardware dspace R são ligeiramente mostradas no apêndice B Inversor de Frequência O resultado do desenvolvimento na área da eletrônica de potência permitiu a expansão da utilização dos motores assíncronos, especialmente aqueles que possuem rotor em gaiola, pois são os que apresentam maior vantagem econômica. Além disso, sua aplicação é bastante ampla, podem ser encontrados em diversas potências (VAS, 1998). O controle dessas máquinas é complexo, principalmente pela dinâmica associada as suas características inerentes, porém, quando seu acionamento é realizado por inversores de frequência uma boa performance pode ser alcançada. O inversor utilizado possui dois 21

37 tipos de controle principais, escalar (V/Hz) e vetorial de torque e velocidade. Quando há requisitos de controle mais apurados, o controle vetorial é uma boa solução. De forma simplificada esse controle se baseia no modelo matemático da máquina de indução, com parâmetros medidos pelo inversor em uma rotina de Auto-Tunning para controlar módulo e ângulo de fase da excitação da máquina 2. A performance desenvolvida por esse tipo de controle é o principal motivo pelo qual este será utilizado nesse trabalho (BOSE, 2002). Com a interface entre a dspace R e o inversor realizada através da referência analógica, o controle é implementado pelo inversor, seguindo a referência dada pelo modelo da turbina. Portanto, supõem-se que o inversor tem capacidade de lidar com essa referência analógica e que realize o controle da máquina primária de forma efetiva. As características mais relevantes deste inversor são apresentadas no apêndice B Bancada de Motores O emulador possui duas MIT, uma funcionando como motor (Máquina Primária), e outra como gerador (Máquina Secundária). A máquina primária é controlada via inversor de frequência, como comentado anteriormente. A segunda máquina é ligada diretamente à rede, operando como gerador pela imposição de velocidade ligeiramente acima da velocidade síncrona. A conexão é realizada inicialmente através de um Variac (faz papel do soft-starter na figura 2.2), e assim que este atinge sua posição 100% 3 é contornado através de um disjuntor, como no diagrama 3.2. As máquinas utilizadas são de 4 polos, com características segundo tabela apresentada no apêndice B Medição de Velocidade Angular No modelo da turbina desenvolvido é preciso uma medida de sua velocidade angular, e para isso é utilizado um encoder óptico incremental. O protótipo possui velocidade fixa, devido sua ligação à rede, pode-se pensar que a velocidade de rotação também deve permanecer relativamente constante porém, é preciso levar em conta o escorregamento das máquinas assíncronas, e então utilizar a medição dessa velocidade na determinação do torque desenvolvido pela turbina. O encoder utilizado tem resolução considerável, pulsos por revolução. A sua saída possui 2 sinais diferenciais (RS422), além de 2 sinais complementares, defasados em 2 A denominação vetorial vem justamente da abstração utilizada no cálculo, neste caso um espaço vetorial. 3 Neste caso, dada a configuração, 100% corresponde a percentagem da tensão da rede aplicada sob o motor. 22